搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

聶萬芬 陳廣華

摘 要：現(xiàn)如今搬運(yùn)機(jī)器人已成為一種使用范圍廣泛，并且發(fā)展速度也較快的機(jī)器人。這種機(jī)器人經(jīng)過模塊化的軟件與硬件技術(shù)的設(shè)計(jì)，將傳感器技術(shù)、編程運(yùn)算技術(shù)、通信技術(shù)以及PLC和PC機(jī)等高端技術(shù)融于一體，使其控制系統(tǒng)具備了較高的智能化技術(shù)，能夠令機(jī)器人靈活、有效地進(jìn)行繁重的搬運(yùn)作業(yè)。本文對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：搬運(yùn)機(jī)器人；智能控制系統(tǒng)；PLC；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP242.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）08-0189-02

Abstract：Nowadays，the transport robot has become a kind of robot which is widely used and develops at a faster speed. Through the design of modularized software and hardware technology，this kind of robot integrates sensor technology，programming operation technology，communication technology and PLC and PC machine and so on，so that the control system has a high intelligence technology，which can make the robot flexible and effective carry on heavy handling operation. This article is to explore the design of control system for handling robot.

Keywords：handling robot；intelligent control system；PLC；control system design

0 引 言

搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)具有開放式的構(gòu)造，這種機(jī)器人的構(gòu)造是在標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的基礎(chǔ)之上，對(duì)操作機(jī)進(jìn)行控制，并且完成特定的工作任務(wù)，依據(jù)功能不同劃分到各個(gè)部分。其控制系統(tǒng)軟件是在WinCE研發(fā)，其設(shè)計(jì)研發(fā)是以模塊，標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，同時(shí)包括通用型，設(shè)計(jì)友好界面通過指定的作業(yè)來完成，從而能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)通信、任務(wù)規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制、示教編程等多種性能，它也能同時(shí)適用于CAN總線、以太網(wǎng)等多種最常見的通信方式，也能夠和3D圖形化仿真編程工具結(jié)合在一起，如此就能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的目標(biāo)編程。以下，我們就用一些實(shí)例，來具體描述搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)。

1 基于顏色識(shí)別的智能搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該搬運(yùn)機(jī)器人主要用STM32單片機(jī)作為最主要的控制，從而完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制和信息的處理。直流電機(jī)和超聲波傳感器主要為運(yùn)載體提供動(dòng)力，避障。顏色傳感器、機(jī)械手則是相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖定物體的識(shí)取和獲得、釋放。無線通信則對(duì)一整個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)行自動(dòng)控制。在進(jìn)行系統(tǒng)程序時(shí)，大部分是對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)過程進(jìn)行編寫程序。它主要是為了收集并引領(lǐng)路徑數(shù)據(jù)，獲取相應(yīng)的信息，確定搬運(yùn)的方向位置，然后尋找搬運(yùn)目標(biāo)位置，識(shí)取搬運(yùn)目標(biāo)，機(jī)械手取得搬運(yùn)目標(biāo)，到達(dá)目標(biāo)堆放區(qū)，釋放搬運(yùn)目標(biāo)，返回初始位置，任務(wù)完成。系統(tǒng)控制軟件如圖1所示。

2 汽車搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

汽車搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)存在于機(jī)器人本體內(nèi)。搬運(yùn)機(jī)器人內(nèi)的可編程序控制器主要通過無線通訊方式和它的母體運(yùn)輸平臺(tái)保持通訊聯(lián)絡(luò)，然后運(yùn)輸平臺(tái)再通過主控計(jì)算機(jī)通訊、紅外通訊，在接受上位機(jī)命令后上傳運(yùn)行狀態(tài)。而主控計(jì)算機(jī)則是負(fù)責(zé)集中控制和運(yùn)輸平臺(tái)與管理汽車搬運(yùn)機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。研華公司采用SADAM4550無限轉(zhuǎn)換器，它一端接PLC的RS-232接口，另一端為2.4G微波信號(hào)，和運(yùn)輸平臺(tái)控制系統(tǒng)中的ADAM4550一起，構(gòu)成了運(yùn)輸平臺(tái)控制系統(tǒng)和汽車搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸線路。汽車搬運(yùn)機(jī)器人控制程序的編制是利用了SIEMENS PLC編程軟件STEP 7提供的軟件平臺(tái)，它把整個(gè)控制程序模塊化。該機(jī)器人的控制程序主要有：伺服裝置控制模板，模擬數(shù)據(jù)采集模塊，液壓裝置控制模板，停車貨位參數(shù)模板，顯示模塊，故障檢測(cè)模塊和通訊模塊等。汽車搬運(yùn)機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)，依據(jù)上位機(jī)的控制指令，走到要搬運(yùn)的汽車底盤下，伸出夾持臂，將汽車的四個(gè)車輪抬起，運(yùn)行到指定的位置后再放下。

3 以Trio運(yùn)動(dòng)控制器的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

堆積放置的物體，是指工作人員在工作場(chǎng)所擺置的目標(biāo)。首先搬運(yùn)機(jī)器人在進(jìn)行完初始化后，就通過X軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。如果在路徑前方遇到了障礙，那么該搬運(yùn)機(jī)器人就會(huì)停在原地發(fā)出信號(hào)。如果發(fā)現(xiàn)搬運(yùn)的對(duì)象是在Z軸向下運(yùn)動(dòng)，一直在距離地面有10mm處開始減速，經(jīng)過導(dǎo)通相應(yīng)的電磁鐵，機(jī)器手會(huì)抓住對(duì)象，接著搬運(yùn)機(jī)器人回到Z軸向上的一定的位置，然后繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)即將到達(dá)放置區(qū)處時(shí)，會(huì)用一樣的動(dòng)作堆放對(duì)象。當(dāng)放置目標(biāo)完成后，搬運(yùn)機(jī)器人就開始向相反的方向運(yùn)動(dòng)，開始再一次的運(yùn)動(dòng)循環(huán)。最后任務(wù)完成后，搬運(yùn)機(jī)器人會(huì)回到最開始的位置，停機(jī)?？刂瞥绦蚴峭ㄟ^運(yùn)行在PC機(jī)上的Motion Perfect軟件來進(jìn)行研發(fā)的，以Trio多任務(wù)或者BASIC語法樣式進(jìn)行編寫，然后執(zhí)行在上位機(jī)上的Motion軟件，將編制的程序下載到Euro205X型運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)即可脫機(jī)運(yùn)行。

4 基于單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

機(jī)器人控制系統(tǒng)的最主要部件是AVR單機(jī)，它的系統(tǒng)中有兩個(gè)260電機(jī)，在機(jī)械手機(jī)構(gòu)中還用了兩個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，使兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)得以執(zhí)行，主要目的是抓取目標(biāo)物并升降。此用AVR單片機(jī)控制搬運(yùn)機(jī)器人主要是選用ATmega161單片機(jī)作為主控制器。低功耗，高性能，功能高度集中是它的主要優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)的所有要求得以滿足，不必進(jìn)一步擴(kuò)展，并且支持C語言編程。驅(qū)動(dòng)電機(jī)延時(shí)程序，控制機(jī)械手抬起，張開，放下的程序是幾個(gè)主要系統(tǒng)程序的子程序。只要機(jī)器人系統(tǒng)的主控開關(guān)控制系統(tǒng)被啟動(dòng)，那么就能使各部件開始運(yùn)動(dòng)。軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)為基礎(chǔ)的單片機(jī)控制的搬運(yùn)機(jī)器人，使成本大幅度降低，而且也比較容易實(shí)現(xiàn)。搬運(yùn)機(jī)器人經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)與調(diào)試，就能夠靠近物體并且進(jìn)行抓取，最后返回原地，放下物體，使轉(zhuǎn)移物體的任務(wù)完成，在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行重復(fù)性的勞動(dòng)所需的動(dòng)作都可以靠這種機(jī)器人進(jìn)行模擬，具有很高的工業(yè)價(jià)值。

5 基于MCS-51控制的軍用自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人是一種智能的貨物搬運(yùn)設(shè)備，是未來自動(dòng)化工廠重要的運(yùn)輸工具之一。該系統(tǒng)由智能小車、圖像識(shí)別系統(tǒng)、機(jī)械抓手三個(gè)部分共同組成。智能小車是以MCS-51單片機(jī)控制為基礎(chǔ)，根據(jù)紅外線發(fā)射管來進(jìn)行尋跡，然后采用直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)軍用自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人智能搬運(yùn)的載體。圖像識(shí)別采用的是紅外探射點(diǎn)陣對(duì)圖像執(zhí)行探射并且識(shí)別，而機(jī)械抓手則是由執(zhí)行模塊實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)核心是通過單片機(jī)，圖像識(shí)別與機(jī)械手為主體建立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了智能尋跡、物體搬運(yùn)等相應(yīng)功能。這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，很容易實(shí)現(xiàn)，在智能控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。通過電機(jī)控制及單片機(jī)自動(dòng)控制和其他高等技術(shù)，就能使機(jī)器人智能控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。主和從兩個(gè)單片機(jī)一起組成主控系統(tǒng)。首先紅外傳感器對(duì)路面信息監(jiān)測(cè)，并傳給主單片機(jī)，然后判別采樣信息并去處置，最后發(fā)出指令，就實(shí)現(xiàn)了尋跡。

6 五自由度搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

該搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)合沖壓生產(chǎn)線的應(yīng)用需求來設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步建立了控制系統(tǒng)?？刂破?、驅(qū)動(dòng)器以及電機(jī)和人機(jī)交互界面構(gòu)成了這種系統(tǒng)，設(shè)備層、控制層、人機(jī)交互層分層設(shè)計(jì)，是控制結(jié)構(gòu)采用的。幾乎每個(gè)層次的功能都不盡相同，相互通信，一起完成控制任務(wù)?？刂茖佑芍骺刂破骱蛢蓚€(gè)四軸運(yùn)動(dòng)控制卡組成。接著主控制器為上位控制器，和兩個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡通過串口來進(jìn)行通信，控制運(yùn)動(dòng)控制卡動(dòng)作，示教模式、自動(dòng)控制模式，與手動(dòng)控制模式是主控制器工作的環(huán)境。最后，運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出控制信號(hào)，控制層接收到傳感器發(fā)出的反饋?？刂葡到y(tǒng)底層有設(shè)備層，有執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)單元等，在得到驅(qū)動(dòng)器指令后，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，最后反饋給控制層。

7 結(jié) 論

根據(jù)以上對(duì)具體的基于顏色識(shí)別的智能搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)、汽車搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)等的描述可知，搬運(yùn)機(jī)器人通過運(yùn)用各種不同原理的方法來構(gòu)建一定的控制系統(tǒng)，并且都相應(yīng)地有各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人們的智能和適應(yīng)性，具有高效和應(yīng)用價(jià)值高、體積小巧、實(shí)用等特點(diǎn)，在機(jī)械、電子、交通、國(guó)防等領(lǐng)域有很大的使用空間。

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作者簡(jiǎn)介：聶萬芬（1981.04-），女，河南人，講師，本科。研究方向：機(jī)電一體化、自動(dòng)化控制技術(shù)。